引 言

長屏的LED顯示屏在生活中應用的很多，這種顯示屏的控制電路簡單，掃描線有限，顯示信息量也不是很大。當顯示信息量比較大時，采用一般的長屏顯示屏，顯示信息過慢，即使采用超長屏的顯示屏，其數據輸出速率也很慢，同時顯示屏的刷新頻率也不一定能滿足顯示需求。矩形顯示屏顯示一屏的信息量大，并且可以按需要擴展顯示屏的高度，不存在頻率上的限制，可以彌補長條顯示屏顯示信息時存在的一些問題。本文用于控制矩形顯示屏的控制系統數據組織使用了雙RAM技術，提高了信息垂直循環顯示時存儲器效率，大幅度降低了數據存儲器的占用，并且對刷新頻率的要求也不是很高［1］。

1 顯示數據組織

大多時候需要顯示的區域大于或等于實際顯示的區域，相等以及小于時為靜態顯示，圖1所示的是需要顯示的區域大于實際顯示的區域。為了簡化問題的分析，本文將顯示區域高度設置為led顯示屏高度的4倍，寬度等于LED顯示屏寬度，顯示屏的高度為 ，寬度為，則顯示區域高度 ，寬度 ，掃描線條數 ，本文以單色顯示作為描述對象，且 （ 為輸出數據寬度），如圖1所示。

圖1 顯示區域圖

對于一個LED顯示屏寬度為 ，高度為 確定后，顯示屏單元板的排列方式也就被確定了，單元板相鄰的兩條掃描線之間的距離為 ，顯示屏有 條掃描線，分別是， ，… ，每 行對應一位顯示數據，顯示屏上的每一個點對應于存儲器中某個字節的某一位。各掃描線的起始位置如圖1所示， 條掃描線分別指向 ， ，…， 。用靜態顯示數據組織方法分別對顯示塊A、B、C、D組織顯示數據［2］。首先對顯示塊A的顯示信息進行組織：

① ，即當前掃描線各行與第0列相交各點的顯示數據按 ， ，…， 的順序存儲在存儲器的第一個存儲單元中。

② 值增加1，當前掃描線各行與 值對應列相交各點的顯示數據存儲在存儲器的下一個存儲單元中。

③重復第 eq oac（○，2）2步的操作，將 至 的 個數據按順序全部存儲在存儲器中。

④ 條掃描線向下移動一行，重復第 eq oac（○，1）1至 eq oac（○，3）3步。直到 移動到 行時。

⑤數據組織結束。

顯示區域B、C、D，分別按照A的數據組織方式去組織顯示數據。組織后的顯示數據塊按A、B、C、D的順序存儲在RAM0里，然后將RAM0中的顯示數據塊A、B、C、D按B、C、D、A的順序拷貝到RAM1中，任何兩個相鄰顯示塊的顯示數據分別在兩塊RAM中都有相同地址存儲區域。RAM0 和RAM1的顯示數據與存儲器的對應關系如圖2所示。

圖2 數據塊與存儲器之間的排列圖

采用雙RAM并行輸出時的幾種情況，如圖2所示，掃描組1從 到 ，對應顯示塊A，數據已組織存放在存儲器中，可以直接輸出顯示數據；掃描組2從 到 ，對應顯示塊B也已經組織好，可以直接輸出。但是掃描組3，它的位置非同一般，它的掃描線分別對應著兩個塊A和B，第0，1，… 條掃描線分別對應顯示塊A掃描組1的1，2，…， ，而第 條掃描線對就顯示塊B掃描組2的第0條掃描線，如果要在顯示屏上顯示掃描組3對應的這一屏數據，就一定要同時使用到掃描組1的第1，2，…， 條掃描線和掃描組1的第0條掃描線組織的顯示數據作為輸出數據。由于顯示塊A和B的顯示數據是分別組織的，這時就要取RAM0的，，…， 和RAM1的 位作為輸出到顯示屏的 位數據，這就需要在兩塊RAM同時輸出的2 位中選擇需要的 位作為輸出數據，并且這 位數據是連續的 位數據。

顯示步驟（在此，只考慮垂直移動顯示效果）：雙RAM技術將顯示數據輸出的時候，是將兩塊RAM中相同地址的兩個數據同時輸出。所以，如果設置RAM0為主存儲器，RAM1為從存儲器，則將兩塊RAM的顯示數據存在一塊串行存儲器中的時候，偶地址單元應存儲RAM0的數據，奇地址單元存儲RAM1的數據，由于數據寬度為8，所以每次輸出16位數據。如果顯示區域中以（ ， ）點為顯示起始點，在LED屏上顯示一屏顯示信息，則其數據選擇控制位只與 、掃描線和掃描寬度 有關［3］。顯示區域的起始行坐標為 ，一塊顯示區域有 行，則 所在的塊為：

這里討論 在實際顯示區域的坐標沒有多大意義，只須注意 在當前顯示塊的相對坐標， 就是 在當前顯示塊的相對縱坐標，則相對坐標為（ ， ）。動態顯示的基礎是靜態顯示，靜態顯示以從特定行顯示一屏為特征，當顯示屏從第 行開始顯示信息時，因為一塊顯示區域有 個數據，則 所在塊顯示數據的起始地址為：

一塊顯示區域分為 個區，如圖2所示，則 所在的分區記作：

一區存放有 個顯示數據，所以 所在分區地址與所在塊起始地址之間的相對偏移地址為 。所以，只要知道了顯示信息的起始行坐標，就能得到顯示數據在存儲器中的存儲地址。

因為 ，記 ，表示顯示信息跨越兩個數據塊時，需要選擇的數據位數。存儲器輸出16位數據 后，從 位控制選擇連續的8位數據 輸出到顯示屏。當數據從一個字節的 位開始輸出16位時，如 ，前面8位在當前顯示是多余的幾位數據，后面8位數據 正好是要輸出到顯示屏的8位數據，當這16位數據串行輸出到一個8位的移位寄存器中時，移位寄存器剛好可以容納高8位數據，并將其輸出顯示。之后各列數據的輸出情況同樣如此，不需要額外的指令或電路來對輸出數據進行選擇輸出。

只是在每行第一列數據輸出前，通過單片機模擬i個時鐘脈沖輸出到存儲器，讓輸出數據產生錯位，使數據從 位開始輸出。另外有一種情況，當顯示信息剛好是A、B、C、D塊中的某一塊時，無須產生模擬脈沖對數據進行選擇，而是直接將數據輸出顯示。通過分析可知，SPI模塊剛好具有這個功能，通過單片機額外模擬 個時鐘脈沖，輸出到串行存儲器的時鐘信號端，可以使數據錯位，從指定的某一位 開始輸出。當顯示信息跨越 區間時，此時如果一場顯示還沒有完畢，內存地址應返回到 所在塊的起始地址，并從起始地址開始輸出顯示數據，單片機模擬的脈沖數 也相應發生變化［4］。

2 LED顯示屏控制系統設計

為了簡化電路，提高數據輸出效率，本控制系統采用RAMTRON（瑞創）公司的帶SPI功能模塊的VRS51L3074單片機，如圖3所示。VRS51L3074單片機的時鐘頻率為40MHz，指令周期短，處理速度快，效率可以與ARM處理器媲美，但是ARM處理器的價格要高得多。VRS51L3074單片機工作電壓在3.3V左右，但是可以兼容5V［5］。

圖3 LED顯示屏控制電路

2.1 VRS51L3074的SPI功能模塊

VRS51L3074單片機的SPI時鐘頻率可以在 范圍內調整，SPI時鐘頻率最高可以達到20MHz［6］。當VRS51L3074作為SPI主機時，可以對SPI運行控制、配置和狀態監控以及其他的一些工作環境進行設置：

配置寄存器SPICONFIG：主要對片選信號控制模式、SPI中斷進行設置。

狀態寄存器SPISTATUS：主要用于對SPI運行狀態的監控。

傳輸字長寄存器SPISIZE：設置傳輸字長，本文設置為16位，即每次輸出16位數據。

控制寄存器SPICTRL：對SPI時鐘速率、時鐘相位/極性、片選信號，以及SPI時鐘頻率進行設置。

數據寄存器SPIRXTX0~ SPIRXTX3：用于對SPI接口32位收發緩沖器的訪問，對數據寄存器執行寫操作是將數據送入發送緩沖器中，對數據寄存器執行讀操作是從接收緩沖器中取出收到的數據。SPI接口的發送和接收緩沖器都采用雙緩沖結構，從硬件上減少數據沖突并提高數據傳輸效率。在主模式下對SPIRXTX0寄存器執行寫入操作將啟動SPI傳輸。當傳輸字各行長大于8時，應最后向SPIRXTX0寄存器寫入。

向串行FLASH輸入控制信號和數據地址后，啟動串行FLASH傳輸數據，在SPI時鐘驅動下，輸出顯示數據。并且可以用單片機模擬串行FLASH時鐘信號控制任意位數據輸出。

2.2 數據選擇控制電路

設計的LED顯示屏控制系統如圖3所示，VRS51L3074單片機內部自帶精確的40MHz振蕩器，不需要外部晶振電路提供系統時鐘，顯示數據使用內存為16Mb的SST25VF016B，這是一款具有SPI接口的8PIN串行FLASH［7］。雙RAM技術輸出顯示數據的時候，是將兩塊RAM中相同地址的兩個數據同時輸出，所以，將兩塊RAM的顯示數據存放在一塊串行存儲器中的時候，偶地址單元應存儲RAM0的數據，奇地址單元存儲RAM1的數據，數據輸出時，每次輸出16位數據。串行存儲器和單片機的工作電壓都在3.3V左右，但是VRS51L3074單片機可以兼容5V，簡化了控制電路?？刂菩盘柡惋@示數據在輸出到寄存器74LS164和顯示屏的時候，需要用74LVC07進行電平轉換。

控制系統控制顯示數據輸出的流程為：

①將掃描線行地址通過P2端口的低四位送給LED顯示屏。

②通過顯示數據在顯示區域中的位置，計算顯示數據在存儲器中的地址，并計算出數據選擇的位數 。

③通過單片機P3.0口模擬移位脈沖，輸出到串行FLASH時鐘信號，移位脈沖數由數據選擇位數 決定。使輸出數據產生錯位，正確的選擇輸出顯示數據。

④啟動SPI讀取顯示數據， SPI傳輸字長設置為16位。模擬脈沖已經輸出到串行FLASH使數據產生了錯位，輸出16位數據 ，輸出到顯示屏的數據 在高8位，經過移位剛好可以存放在移位寄存器中，每行第一個數據輸出后，以后此行各列數據都是直接輸出。

⑤16位數據輸出完畢后，通過P3.1腳產生一個SCK脈沖，將移位寄存器74LS164中的數據輸出移入到單元板的74HC595串行移位寄存器中。

⑥重復第 eq oac（○，4）4至 eq oac（○，5）5步，直到一行數據全部輸出完畢后，由P3.2 產生一個RCK脈沖，讀取的一行數據將輸出顯示，然后掃描線下移一行。

⑦重復第 eq oac（○，1）1至 eq oac（○，6）6步。

此電路有這樣幾個特點：顯示數據從串行FLASH輸出后，不經單片機的處理，直接以“DMA”方式輸出到移位寄存器74LS164，同時實現串并轉換，節省數據處理時間，提高顯示效率；在每場數據輸出之前，通過信息在顯示區域中的地址計算數據選擇位數 ，并通過P3.0 端口模擬 個脈沖輸出到串行FLASH，移出 位數據，數據產生錯位，使輸出顯示的數據在16位輸出數據的高8位，可以直接存放在移位寄存器中，輸出到顯示屏，以后同行各列的顯示數據輸出時，無需再進行數據選擇位的判斷，直接將顯示數據從存儲器中輸出到顯示屏。

存儲器效率分析：

表1 存儲器效率存儲器

存儲器

效率η靜態顯示一般垂直移動顯示雙RAM技術輸出顯示

η計算

公式

效率100%16%100%

觀察表1可知，在垂直移動顯示使用雙RAM技術組織，大大提高了存儲器效率，降低了顯示數據存儲器的占用。當顯示信息比較大時，動態數據組織使用的存儲器比較大，利用率低，而采用雙RAM技術正好解決這個問題。一塊RAM的效率是100%，雙RAM是50%，當有N塊RAM時，效率為 。

3 程序設計

針對圖3所示控制電路，按照數據輸出控制流程，編寫了一段程序，隨機顯示一屏信息，顯示數據已按順序存儲在串行FLASH中。

void display（unsigned int YL）

{ unsigned int i，j，p;

unsigned char line， unit_board_num， board_i;

unsigned char code *ram_point， *block_addr，* region_addr，* ram_begin_addr;

block_addr=YL/（Bw*Sw） * （Sw*Dw）; //所在塊的起始地址

region_addr=（YL%Sw）*Dw; /所在區的相對塊的相對地址

i=YL/Sw;

region_recod=YL%Sw; //此變量記錄顯示數據已進入哪一區

ram_point=ram_begin_addr+block_addr+region_addr-1; // ram_begin_addr為數據起始地址

SPI_write_read（0x03）; //向串行FLASH發讀命令，0x03為讀控制字

SPI_write_read（（（ram_point & 0xffffff）》》16））; //3字節24位地址

SPI_write_read（（（ram_point & 0xffff）》》8））;

SPI_write_read （ram_point & 0xff）;

unit_board_num=Dw/64; //計算單元板的數量

for（p=0;p

{ SCK=0; SCK=1; }

SCK=0;

for（line=0;line

{ SPISIZE=0x0f; //設置2字節16位傳輸方式

for（ board_i=0;board_i

{ for（j=0;j《64;j++）

{ SPIRXTX0=ACC; //啟動數據傳輸出

while（（SPISTATUS & BIT1） == 0）; //等待發送（接收）完成

LED_SCK=0;LED_SCK=1; //送入單元板

} }

EN=1； //換行時暫關閉

P2=（（P2&0xf0）|line）;

if（region_recod》=Sw）

{ ram_point=ram_begin_addr+block_addr-1;

SPISIZE=0x07;

SPI_write_read（（（ram_point & 0xffffff）》》16））;

SPI_write_read（（（ram_point & 0xffff）》》8））;

SPI_write_read （ram_point & 0xff）;

region_recod=0; i++;

if（i《=7）

for（p=0;p

{ SCK=0; SCK=1; }

SCK=0; }

RCK=1; RCK=0； //產生74HC595輸出鎖存信號

EN=0; } //開顯示

unsigned char SPI_write_read （unsigned char Wr_Rd_Data）

{ unsigned char Temp_Flag;

SPDR= Wr_Rd_Data; //啟動SPI發送或接收

do //判斷發送或接收是否完成

{ Temp_Flag=SPSR&0x80;

}while（Temp_Flag！=0x80）;

SPSR=SPSR&0x7F; //清SPI發送或接收完成標志

return SPDR; } //返回SPI接收到的數據

結 論

本控制系統利用串行FLASH在輸出數據時的特點，最大的減少了數據處理的時間，將顯示數據以“DMA”方式輸出到顯示屏，提高顯示效率，并且彌補長條顯示屏在顯示信息上的不足。雙RAM技術大大提高了垂直移動時的存儲器使用效率，所有的數據塊都是按靜態顯示方式組織數據，所以每一塊RAM的顯示數據效率都是100%，雙RAM的效率為50%。

本文顯示數據存放在一塊FLASH中，效率也為50%，相比動態顯示組織方式，降低了垂直移動時顯示數據存儲器的占用，提高存儲效率。還可以雙RAM技術為基礎，擴展出多RAM方式，提高顯示的高度，增加每屏顯示信息，進一步提高存儲效率。本系統仍有改進的空間，譬如以雙RAM組織顯示數據后直接用兩個RAM來存放不同的數據，控制顯示數據直接輸出，提高輸出速率。
責任編輯；zl